Eletricidade
UNIDADE 1
Conceitos e fundamentos iniciais da eletricidade
Podemos definir de forma ampla que a eletricidade é um estudo ligado à física que tem por objetivo compreender fenômenos ligados ao eletromagnetismo, a eletrostática e a eletrocinética. Desta forma, podemos sintetizar que:
» O eletromagnetismo é uma subárea da física onde estudamos o relacionamento entre as propriedades magnéticas e elétricas da matéria.
» A eletrostática é a fração do estudo eletricidade onde estudamos os fenômenos ligados à carga elétrica em repouso.
» Já a eletrocinética tem como premissa o estudo dos fenômenos ligados à carga elétrica em movimento.
Cargas elétricas elementares
Temos por definição que carga elétrica fundamental é o menor valor de carga elétrica possível na natureza. Para compreender tal afirmação, é necessário relembrar alguns conceitos. Os prótons e nêutrons têm massa praticamente igual, mas os elétrons têm massa milhares de vezes menores. Chamaremos de MP a massa do próton e desta forma podemos representar a massa dos elétrons da seguinte maneira:
Massa eletron ≅ ( 1 /2000 ) . MP
Ou seja,
a massa do elétron é aproximadamente duas mil vezes menores que a do próton.
Mesmo tendo massas totalmente diferentes, prótons e elétrons possuem cargas elétricas opostas, ou seja, de mesmo módulo, porém de sinais contrários. Em determinada convenção, foi determinado que os prótons fossem descritos como portadores de cargas positivas e os elétrons como portadores de cargas negativas.
Tomando como base o Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade de carga elétrica é o Coulomb (C).
Deste modo a quantidade de carga elementar (e) e possui o valor de:
e = 1, 6.10-19 [C]
Em resumo, um próton possui carga elétrica igual a 1, 6.10-19 [C]
e um elétron possui carga elétrica igual a -1, 6.10-19[C].
Vale ressaltar que os átomos tendem ser eletricamente neutros, ou seja, em condição de repouso, possuem a mesma quantidade de prótons e elétrons. A carga elétrica total é nula.
A quantidade de carga elétrica total (Q) será sempre um múltiplo inteiro (n) vezes o valor da carga elementar (e). Essa quantidade de carga pode ser determinada por meio da seguinte expressão:
Q=n.e [C]
Exemplo:
Calcule a carga elétrica total de prótons e elétrons do elemento de número atômico 13 (alumínio) da tabela periódica. Calcule também a carga elétrica total.
Carga elétrica de prótons,
Qp=13 .1,6.10-19 [C]
Qp=20,8.10-19 [C]
Carga elétrica de elétrons,
Qe=13 .-1,6.10-19 [C]
Qe=-20,8.10-19 [C]
Carga elétrica total,
Qp+Qe=(20,8.10-19 )+(-20,8.10-19 )=0 [C]
IONS
Caso ocorra um desbalanceamento entre o número de prótons e elétrons, teremos um íon. Os íons são moléculas ou átomos eletricamente carregados, ou seja, a carga elétrica total é diferente de “0” [C]. Se o número de prótons for maior que o número de elétrons tem-se um íon positivo. Caso o número de elétrons for maior que o número de prótons, temos um íon negativo.
É importante ressaltar que, como o próton faz parte do núcleo atômico junto ao nêutron, e a força para separação deles é quase impraticável, quem sempre se movimenta é o elétron.
Atração e repulsão das cargas elétricas
Imagine dois ímãs retangulares idênticos. Ao se aproximarem, o magnetismo faz com que eles se juntem em um só corpo. Ambos os ímãs possuem polos norte e sul, de tal forma que o polo norte do primeiro ímã buscou naturalmente o polo sul do segundo.
Mas o que ocorre quando você tenta aproximar dois polos iguais, seja norte/norte ou sul/sul de um ímã? Eles se repelem. Os campos magnéticos opostos se atraem e os iguais se repelem.
Ao se analisar os íons, que são moléculas ou átomos eletricamente carregados, o que tende a acontecer quando aproximamos um íon que está eletricamente positivo (por exemplo, um elétron a menos que um próton), de outro íon que está eletricamente negativo (por exemplo, um elétron a mais que um próton)? Eles se atraem fazendo com que a matéria em questão fique eletricamente nula.
E se, aproximarmos dois íons eletricamente carregados com a mesma natureza de carga? Eles se repelem. A fim de sintetizar, a figura representa a questão da atração e repulsão das cargas elétricas.
É importante ressaltar que:
a direção e o sentido do campo elétrico dependem do sinal da carga que gera esse campo.
Se Q>0, o campo elétrico é de afastamento, e se Q<0 o campo elétrico é de aproximação.
Tensão, corrente e resistência
As grandezas físicas tensão, corrente e resistência são provavelmente as mais utilizadas em um dia a dia de trabalho nas áreas correlatas à eletricidade. Todo equipamento eletrônico obrigatoriamente trabalha com fenômenos físicos que estão envoltos nestas três grandezas de forma direta e tantas outras de forma indireta. Deste modo, temos que compreender fortemente o que cada uma destas grandezas significa e como podemos manipular os fenômenos físicos que as geram.
É possível definir tanto a tensão elétrica, quanto a corrente e a resistência de forma mais usual por meio da Lei de Ohm, contudo estas definições serão feitas dentro da Unidade III, que tratará especificamente da eletricidade aplicada.
As abordagens apresentadas neste momento farão com que o aluno tenha a capacidade de ter um conhecimento introdutório que servirá de base fundamental para a boa compreensão dos estudos seguintes.
Tensão elétrica
A tensão elétrica pode ser compreendida como uma diferença de potencial elétricoentre dois pontos (DDP).
A unidade adotada para expressar tensão elétrica é o Volt [V].
Para auxilia-lo neste conceito imagine uma caixa d’água sobre uma casa. Esta caixa d’água está a uma altura relativa do solo de 4 metros. Então podemos dizer que a diferença de potencial entre a caixa d’água e o solo é de 4 metros.
A água está armazenada no alto da casa na forma de energia potencial e a quantidade de água armazenada nesta caixa determinará, por exemplo, a quantidade de plantas que poderemos irrigar.
Para tensão elétrica o conceito é exatamente o mesmo. Temos um determinado potencial elétrico, que pode ser gerado por uma pilha, uma usina hidroelétrica ou um fenômeno eletrostático.
A quantidade de trabalho que poderemos executar utilizando esta energia potencial
depende da quantidade de cargas elétricas disponíveis.
A expressão matemática que trata da tensão levando em conta a carga elétrica de um íon e a energia é dada por:
V = Eel / Q * [ J / C ]
Onde:
V é a tensão.
Eel é o valor da energia potencial elétrica em análise, dada em Joule [J] .
Q é o valor da carga elétrica total, dada em Coulomb [C].
É importante ressaltar que, a unidade Joule dividido por Coulomb [J/C],
é a representação da unidade Volt, ou seja, [ J / C ] = [ V ].
A equação a seguir demonstra o que é 1[V].
1[V ] = 1[J ] / 1[C]
Sintetizando, a relação entre o valor da energia potencial elétrica total e a carga elétrica total do sistema sobre análise, nos dá a tensão elétrica.
A diferença de potencial (tensão) pode existir mesmo que não ocorra trabalho efetivo. Este é o caso das tomadas.
Existe a diferença de potencial, 127 ou 220 [V] eficaz, mas só temos trabalho quando uma carga é conectada a tomada. O mesmo se aplica para pilhas, baterias e outras fontes de tensão contínua.
Associações de Fontes de Tensão
Associação em série
Conforme já explicitado, o conceito de tensão elétrica diz respeito à diferença de potencial entre dois pontos. Deste modo, podemos associar fontes de tensão a fim de obter outro nível potencial conveniente para uma determinada aplicação.
Para facilitar o entendimento, as figura a seguir ilustra este conceito.
Temos as fontes de tensão V1 e V2. Entre os terminais positivo e negativo da fonte V1
pode-se verificar uma tensão de 10 [V] dc, ou seja, uma tensão contínua de 10[V].
Entre os terminais positivo e negativo da fonte V2 pode-se verificar uma tensão de 50
[V] dc, ou seja, tensão contínua de 50[V].
Chamaremos de
ponto A o terminal positivo da fonte V1,
ponto B a junção do terminal negativo da fonte V1 com a fonte V2 e de
ponto C o terminal negativo da fonte V2.
Se analisarmos a tensão entre os pontos A e B temos: VAB = 10[V], ou seja, temos a própria tensão da fonte V1.
Se analisarmos a tensão entre os pontos B e C temos: VBC = 50[V], ou seja, temos a própria tensão da fonte V2;
Agora, se analisarmos a tensão entre os pontos A e C temos:
VAC = 60[V].
Para fontes ligadas em série com a polaridade no mesmo sentido, pudemos verificar que VAC= VAB + VBC, ou seja, a tensão final disponível para utilização foi a somatória da tensão de duas fontes diferentes (60[V]).
Este princípio é muito usado quando temos em campo, por exemplo, duas fontes de
12[V] e necessitamos ligar uma carga de 24 [V].
Caso fosse necessário, poderíamos utilizar uma das fontes com polaridade invertida e o resultado seria a subtração da tensão da fonte de maior tensão pela de menor tensão.
Este princípio só se aplica de forma direta em fontes contínuas.
Matematicamente é possível associar em série fontes alternadas,
mas o resultado final da tensão disponível dependerá da frequência, fase e amplitude dos sinais alterados
gerados pelas fontes associadas. O somatório de sinais alternados na prática é extremamente raro.
Associação em paralelo
Algumas aplicações utilizam fontes de tensão em paralelo, mas isto deve ser feito com extrema cautela.
O intuito de se associar duas fontes de tensão em paralelo é aumentar a corrente máxima que pode ser disponibilizada para se alimentar uma carga. Imagine que você tem uma fonte de tensão de 12[V]dc e corrente máxima de saída de 1[A]. Se necessitarmos alimentar uma carga, como uma lâmpada, que necessita de 2[A], esta fonte são seria suficiente. Se ligarmos outra fonte exatamente igual (12[V]dc e 1[A] máximo) em paralelo, poderíamos alimentar a lâmpada. Deste modo tempos:
Para as fontes do exemplo ligadas em paralelo, pudemos verificar que VAB = V1 = V2. Nesta condição não existe diferença de potencial entre as fontes (ambas tem os mesmos 12[V]) e ao se ligar uma carga entre A e B, teremos a tensão de 12[V] sendo fornecida.
Um sério problema ocorreria se V1 fosse diferente de V2. As fontes não teriam o mesmo potencial elétrico e a fonte de potencial maior iria fornecer corrente para a de potencial menor no intuito de equilibrar as cargas. Como não existe nenhum elemento para limitar o fluxo de corrente, teríamos um curto circuito o que possivelmente danificaria ambas as fontes.
Na prática, principalmente na indústria, é usual a utilização de fontes em paralelo para aumentar a capacidade máxima de fornecimento de corrente, mas somente fontes especiais tem esta capacidade de paralelismo.
Ao se ligar fontes convencionais em paralelo, a chance de estragar uma ou ambas as fontes mesmo que o fabricante informe que a tensão das fontes nominal é a mesma é enorme. Sempre existirão diferenças mínimas de tensão e uma fonte acabará sendo uma carga para a outra fonte, então antes de ligar fontes de tensão em paralelo, certifique-se que elas têm a mesma tensão nominal de saída e permitem paralelismo.
Corrente Elétrica
Quando analisamos uma determinada situação onde as cargas eletricamente carregadas (íons) se movimentam de forma ordenada, temos por definição uma corrente elétrica. Na maioria das aplicações temos um condutor metálico para conduzir a eletricidade, mas em alguns casos específicos, soluções com eletrólitos podem ser utilizados.
Para que a corrente elétrica exista é necessário que haja diferença de potencial, ou seja, tensão.
Conforme já explicado, a recíproca não é verdadeira, onde, podemos ter tensão sem que haja corrente.
Já a questão do fluxo ordenados os elétrons pode ser explicada pelo conceito de campo elétrico.
Ao se considerar uma determinada carga positiva e outra negativa, quando se conecta um fio condutor entre as duas cargas, os elétrons livres tendem a se deslocar no sentido da carga positiva, pois os elétrons livres têm cargas negativas, lembrando que como no caso dos imãs, as polaridades opostas se atraem. Deste modo, definimos de modo geral como é gerada uma corrente elétrica.
Mas afinal, como podemos quantizar a corrente elétrica?
Pois bem, para se calcular a intensidade da corrente elétrica em um determinado condutor, devemos utilizar a equação abaixo.
Onde:
I é a corrente.
|Q| é o valor do módulo da carga elétrica total, dada em Coulomb [C].
Δt é o valor do intervalo de tempo sob análise, dado em segundos [s].
Se adotarmos Δt=1[s], temos a unidade adotada para mensurar a intensidade da corrente do sistema internacional de unidade, o ampère [A].
A unidade ampère [A] quantiza a quantidade de carga elétrica que se desloca em um condutor em um intervalo de 1 segundo. Para que haja deslocamento de cargas é necessário que haja diferença de potencial, ou seja, não existe corrente sem uma tensão.
Comportamento e continuidade da corrente elétrica
Para analisaremos a continuidade da corrente elétrica, é importante que se tenha em que ela pode ser, assim como a tensão, do tipo contínuo ou alternado. Se tomarmos como base um condutor ideal, ou seja, aquele que não representa nenhum tipo de resistência à passagem da corrente elétrica independentemente de sua secção transversal, a intensidade da corrente em um determinado circuito é sempre igual. Este princípio é chamado continuidade da corrente elétrica.
Em um determinado circuito onde existam diversas opções de caminhos para a corrente elétrica, a corrente que passa em um determinado condutor principal é igual ao somatório das correntes que se derivam para os condutores secundários.
Na prática, utilizamos este conceito em todos os equipamentos eletrônicos ou instalações elétricas. Toda corrente parte de uma determinada fonte principal que vai sendo subdividida de acordo com as porções dos circuitos ou instalações elétricas.
Resistência
Podemos caracterizar a resistência elétrica como sendo a dificuldade de passagem da corrente elétrica por um determinado condutor quando este está submetido a uma tensão.
A resistência elétrica é definida pela letra R e usa unidade é o Ohm (Ω).
O valor da resistência elétrica é um parâmetro que pode ser utilizado para determinar se um determinado material é condutor ou isolante. Quanto maior o valor da resistência elétrica, mais isolante será o material, pois será mais difícil ter um fluxo ordenado de elétrons (corrente elétrica). De maneira complementar, quanto menor o valor da resistência elétrica, mais condutor será o material. Um elemento condutor ideal possui resistência elétrica = 0Ω, enquanto um material isolante ideal possui resistência elétrica = ∞Ω.
Cada material existente tem por natureza a tendência de barrar a corrente elétrica. Isso ocorre porque cada material possui uma resistividade elétrica ρ diferente. A resistividade é representada pela letra ρ e é expressa em Ω.m.
Onde:
R é a resistência, dada em Ohms [Ω].
ρ é a resistividade do material, dada em Ω.
l é o valor do comprimento do resistor sobre análise, dado em metros (m).
A é a área da secção reta transversal do resistor em análise, dada em metros
quadrados (m²).
De maneira geral considera-se a resistividade de um determinado material uma constante, mas é importante ter em mente que este valor sofre pequenas variações em função da temperatura.
Acesse o link disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_de_Ohm>. Busque na página a questão da variação da resistividade em função da temperatura. Acessado em: 15 jun. 2014.
A equação que foi apresentada é conhecida como a segunda Lei de Ohm, contudo, na maioria dos circuitos eletrônicos
é mais usual determinada resistência elétrica em função da primeira Lei de Ohm, também conhecida somente como Lei de Ohm. Este conceito será apresentado em um capitulo específico.
A equação da segunda Lei de Ohm foi apresentada, pois ela é a responsável por explicar fisicamente o conceito de resistência elétrica para qualquer material. Determinados problemas específicos não são possíveis de serem resolvidos somente com a primeira Lei de Ohm.
Todos os conceitos que tratam da associação de resistências serão tratados na unidade
específica sobre o resistor.